高亮度LED驱动电路的设计与制作毕业论文.docx
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高亮度LED驱动电路的设计与制作毕业论文
私立华联学院
业论文（设计）
13_届大专）
题
S：
系
别:
专
业:
姓
名:
指导教师:
完成日期:
高亮度LED驱动电路的设计与制作
机电工程系
LED灯以寿命长、可黑耐用、抗震性好、高效低耗、点亮速度快、体积小、
环保节能等优点得到广泛的应用。
本文概述了LED的工作原理、LED的国内外现
状，以及对LED的驱动方式：
阻容降压式驱动、开关电源式、恒流、恒压式开关驱动进行了比较讨论，本产品基于MT7920芯片的驱动电路，MT7920低能耗，A功率因子（PFC）,高精度离线式LED驱动芯片。
具有过流保护功能，提供系统的
LED驱动电路，它具有高集成度、高性价比、最简外圉电路、最佳性能指标、
能构成高效率电源等特点，得到了广泛的应用。
关键词J驱动；低能耗；高效率；开关电源
Abstract
LEDlightswithlonglife、reliabilityanddurability、resistancetoshock、high-lowlightspeed、smallsize、lightweightandsowidelyusedoThisarticleprovidesanoverviewofthestatusoftheworkingprincipleoftheLED.the
LEDathomeandabroad.AswellasLEDdriver:
RCbuckdriver,switchingpowersupplytype,constantcurrent,constantpressureswitchdrivercomparativediscussionof.ThisproductisbasedontheMT7920chipdrivercircuit,MT7920lowpower.
highpowerfactor（PFC）,high-precisionofflineLEDdriverchip。
Over-currentprotectioiirprovidesystemreliabilityo
LEDdrivercircuit,ithasahighlyintegrated»cost-effective,themostsimpleexternalcircuit,thebestperfonnance»canconstituteahigh-efficiencypower
supplies,etc..Hasbeenwidelyused。
Keyword&DriveXowerEnergy；HighEfficiency;SwitchPowerSupply
in
1引言
2概述
2.1LED_L作原理
2.2LED照明技术的运用
2.2.1国内外发展现状.
3LED的驱动方式比较
3.1阻容降压式驱动
3.2开关电源式驱动
3.2.1.开关武稳压电源的基本匸作原理
3.2.2.开关式稳压电源的电路
3.2.3开关电源的分类
3.3
LED的恒定电流源驱动
3.4
4
5
5
5
6
8
8
LED的恒定电圧源驱动
21
8总结
23
参考文献
1引言
随着社会的进步及芯片技术的发展，人们越来越离不开LED灯。
自09年以来，LED市场的需求以迅猛的上升势头进入了很多LED领域的公司，而且成绩优异。
有些厂家的签约金额增长势头优异，有的其至较去年儿乎翻了一番。
与往年相比较，很多市场早已萌动，大项日多，千万元以上的项U就有十儿个。
在沉寂了近十年后，LED作为新兴传媒，再次受到媒体界的青睐另一个特点就是在商业广告方面的应用逐渐增多，企业投入也明显增加，紧接着的是，LED出口形势也非常喜人。
去年，在广东举办了光博会，这次展会上，是全年来LED产业的大比拼。
LED交通信号灯，LED生产设备、测试设备，LED大屏，LED照明等琳琅满U,中国内地因其低廉的劳动力成本、广阔的市场、良好的投资环境，国外的投资商业越来越喜欢在中国办厂，中国也逐渐成为世界最大的LED制造中心，同时也说明我国LED产业正在迅速发展。
可以说，如果我们釆取正确的对策，抓住机遇，仔细认真研究市场的需求与供给，就可以使我国LED产业迎来一个新巅峰。
2.1LED工作原理
LED主要结构是山电极、PN结芯片、光学系统、等构成的，它能把电能转化
成光能的部件，主要的过程也是光电转化的过程，在一个PX结两端施加正向偏圧的话，此时PN结势垒降低，N极的电子向P极转移，P极的电子也向\极方向转移，在PN结结构中，非平衡的空穴会与带电的电子复合并注入，其余的能量
会以光的形式向外辐射开来，光子的能量会以空穴与电子能量差异越来越高，此
衡电荷而产生的，不稳定流子。
图2-1LED的工作原理
和普通灯泡作为比较，LED特点是十分明显的。
第一，它的灯丝是烧不尽的,所以寿命相对来说较长；第二，灯泡的小使得LED更加耐用。
最后，LED的小也有利于装进现代的电路中。
LED的高效率是它的一大特点。
普通灯泡在工作的过程中会散发出大量的热
量，这是因为灯线需要加热。
但是这些多余的热能是非常浪费的，要么把这热能作为加热器使用，很多部分的热能是肉眼不可见的。
所以说，LED把电能直接用来发光，它产生热量很少匕:
。
2.2LED照明技术的运用
2.2.1国内外发展现状
LED灯作为高效率的典型绿色光源，有着丰富的市场前景。
U前，LED产业
已形成亚欧美三足鼎立的场面，在亚洲尤其突出的是中国、中国台湾、日本等国家和地区，近日LED产业也被列为国家重点振兴的产业，所以市场前景巨大。
据电子有关部门数据统计，国内LED市场将保持20%以上的增幅。
专门做市场调研的主管斯蒂尔对高亮度发光二极管做了一次详细的调査，手机、电脑等电子产品的迅猛增加，高亮度LED在电子产品收入大概为22亿美元,比03年时增加了7%,在汽车等信号领域上也多达14%,而大多数高亮度LED来自中国台湾和中国制造的⑶。
此前•，建议那些制造发光二极管的厂商其中在其他领域，比如楼房的景观灯、夜市的景观灯以及汽车领域上的照明领域等。
中国科技部门也表示将LED纳入国家重点的高新技术，在之前的北京奥运会上，上海世博会上，以及广东的亚运会上使用了非常广泛的高亮度发光二极管。
新兴市场的不断扩展，使得产业规模不断增加。
推进LED照明的进程也不断加快，LED已从成熟的市场领域转向新兴的市场，使得传统照明巨头主动出击,加快市场模式，大力推广LED市场的发展。
中央也批准建立了大连、南吕、上海、厦门四个半导体LED照明基地。
随后乂让深圳成为国家第五个照明基地，那边分布企业多达400多家X
现全国LED各类企业大约4000多家，从而推进了就业人数的增加，市场规模也大于1000亿人民币。
尽管LED在农业方面还处于初级阶段，但很多国家依然看好这块市场，U前
LED主要方向畜牧业的照明、植物的生长、诱捕灯等。
我国是个农业大国，这是
不言而喻的，所以发展农业技术的重要性也是不言而喻的。
国内很多企业和高校也对LED这方面的技术十分重视，都分分成立了自己的工作室，在宇波国内较有基础的就有宇波升谱光电企业，中国台湾封装技术的强大也使得它成为全球最大的LED生产基地。
政府鼓励众多企业研发自己的技术,尽快推动照明技术的发展。
3LED的驱动方式比较
3.1阻容降压式驱动
在考虑到体积和成本等问题时，电压式降压电源是最简单的方法之一，我们将交流市电转化成低压直流最普遍的方法是用变圧器降压后然后整流滤波。
电容降压电路的最大优点是电路简单、方便，安全性和稳定性差，效率低下是它的最大缺点，而且还是非隔离式的，它的工作原理就是在一定的交流频率下电容产生容抗使工作电路受到限制。
阻降压式简易的电源基本电路如图3-1,D3为稳压二极管，R1为没有通电
后给C1电荷释放电阻，C1是电容，D2为二极管，D1在一定时间后给C1提供回路进行放电，其实在实际电路的运用中常常采用的是图3-2的电路。
当需要负载较大的电流时，也可采用图3-3所示的桥式整流电路。
R1
a*•TO^
Ci
HH
DI
D2tf->ooeec
图3-1电容降压电路
C2
BRq
图3-2实际电路
R1
图3-3桥式整流电路
3.2开关电源式驱动
3.2.1、开关式稳压电源的基本工作原理
调宽式和调频式是开关稳压电源的两种控制方式，在运用的过程中，我们常常使用调宽式，调宽式开关稳压电源图3-4。
图3-4调宽式开关稳压电源的基本原理
矩形脉冲的宽度决定单极性矩形脉冲的直流电压Uo,直流的平均电压是岁脉冲的宽度越宽电压值就越大，直流平均电压Vo的计算公式;为Uo=UmXTl/T,其中T为矩形脉冲的周期；T1为矩形的脉冲宽度，Um为矩形脉冲最大的电压值。
我们可以从上式看出，当Um与T不变时，直流平均电压U。
与脉冲宽度T1成正比。
所以我们只要使脉冲宽度变窄，就可以达到稳定电压U的⑶。
3.2.2.开关式稳压电源的电路
图3-5开关式稳压电源的基本电路框图
交流电压经过滤波电路整流滤波后，形成了一定部分的直流电压9该电压经过变换器变换后形成所需要的电压，最后经过整流滤波整流后成为所需要的直流电压。
电路中的脉冲宽度调制器主要山比较器、取样器、振荡器、脉宽调制等电路构成。
此电路己经集成化，形成了我们所需要的开关电源的集成电路，而输出稳定的电压是由高频开关元件时间控制的。
3.2.3开关电源的分类
DC/DC变换器和AC/DC变换器是开关电源的两种方式，U前在国内的设il•技
术和生产工艺已经成熟，同时得到了专业人士的认可。
AC/DC的模块化，在模块的运用中其技术和生产制造是有点困难的。
开关电源按激励方式乂可分为他激式和自激式:
役
1DC/DC变换
DC/DC变换是将固定直流电压变换成可变的直流电压，也称做直流斩波。
它
的实现方式有两种，一是进行调制的方式Ts不变，改变TON,二是频率的调制方式，TON不变，改变Ts。
一般的电路有一下儿种:
降压斩波器它的输出电压U小于输入电压U1,那么极性相同;
升压斩波器它的输出电压U一般是大于输入电圧的，那么它的极性就
相同:
（3）
降压或升压斩波器它的输出电压U小于或大于输入电压，那么它的极
LED驱动电路的方式也多种多样，种类也比较多，以下就是它的比较:
（1）照驱动方法分：
自激式和他激式;
（2）按DC-DC变换器工作方式可分：
隔离型有通一通方式.半桥方式和全
桥方式通一断方式等不同的工作方式;
（3）调控方式可分S（PWM）和（PFM）；
（4）按照过流的方法可以分：
输出时的测验方法和开关电流的测试方法。
2AC/DC变换
AC/DC变换则是将交流电压改变成直流电压，其功率主要流向是双向的，流
向负载的我们叫做整流，有时会出现退到电源的悄况，我们在整流和滤波的同时要考虑较大的电容，在滤波时我们必须要符合安全的标准，这样就限制AC/DC电源体积小型化:
S
3他激式
电路激励信号产生的振荡器，电路形式;如图3-6所示
图3-6他激式
4自激式
开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图3-7所示
图3・7自激式
3.3LED的恒定电流源驱动
电流流过LED芯片的大小决定了LED的亮度强弱。
根据LED的伏安特性，输
入电流为20mA时，二极管的亮度并不耀眼，所以在选择恒流电流驱动时，不是一定要大于20inA的电流，选择18mA的电流驱动就差不多了，这样就会有效的延长LED的使用寿命。
当r在20mA的范内波动如果Vr为20mA,波动一般为20mA,—旦波动大于20mA是，就会影响LED的工作效率和LED的使用寿命，所以最好Vr设置在
18mA,这样就不会产生大的影响了，而且也有利于LED的工作状态。
图3-8为
LED的恒流驱动。
20mAr
图3・8LED的恒流驱动（串联）
当Vr的恒定电流为60mA时，此时是并联，所以D1、D2、D3的电流都是不一样的，只能从三只LED的伏安特性来判断电流，如果挑选三只正向电压一样的
LED,就有可能保证每只LED的电流都是20inA,如果正向电压不一样，可能在工
作一段时间后，流过三只LED的电流差异会影响LED的正常使用，所以我们釆用
LED$联，U的也是非常明显的。
图3-9LED的恒源驱动（并联）
3.4LED的恒定电压源驱动
LED的恒定电压源审联驱动如图3-10所示⑷。
MW——W-
Di6Da
图3T01^〔0的恒；4^电压源串联驱动
当Vcc为恒定值时，D1、D2、D3工作时，D1、D2、D3的电压会下降，如果串联一个电阻时，流过LED的电流不会增大，电流也不会超过20mA,会大大增加LED的发光效率和使用寿命，保护电阻大小山式（3.1）决定:
（3.1）
R=（Vcc-3.0*3）/!
=（Vcc-9）/20
当Vcc是恒定电压源时，D1、D2、D3）与Vcc并联。
根据三只LED的伏安特
性，R1、R2、R3,这三个电阻的阻值为（3.2）求出:
Idl是DI的正向电流，Vdl为DI的正向电压；电流如果为20mA时，它的正
向电压为3V,那么Idl=20mA,其他电阻也可以依照这个公式求出。
Ra
D2
图3-11LED的恒企电压源并联驱动
LED驱动电路在实际开发的过程中也被越来越多的运用，比如阻容降压式
LED驱动、开关电源式驱动等，如果我们掌握了这些电路的应用，我们就可以方
便的开发出效率高的LED驱动电路。
4LED驱动电路
4.1驱动方案设计
要解决LED照明电源变换问题，其实LED就是低压单向导电器，PWM调光、过圧保护、直流找电、高效率、负载断开、小型尺寸是LED驱动器的特点，但是无论哪种电源都不能直接供电给LED,LED供电电源变换器设i|•时须注意以下事
项:
1.LED电器件，要用直流脉冲电流给LED供电。
2•当温度升高时，二极管的电势会降低，所以不能直接给LED供电，要采取
必要的方法，不然二极管工作时温度升高时，电流会变大，从而损坏二极管，同时LED也是一个有PX结结构的部件。
3•二极管LED会形成门限电压，也具有一定的电势，加在发光二极管的电压
如果超过这个限定电压时就会导通，发光二极管一般的电压在2.5V以上，一般
工作时压降为4V左右。
4•发光二极管的光通量会随二极管的电流增大而增大，但是没有比例，后面
的光通量也会儿乎不见，流经的二极管电流和光通量也不成比例，因此，要使发光二极管在较高的电流下工作。
另外，如果二极管LED上的电功率超出一定的范二极管就会破坏，所以它和其他的光源相同，只能承受一定的电功率。
与此同时，也因为发光二极管在制造时的工艺材料也有所差异，所以二极管的势垒电势以及LED的内阻也不全相同，我们不能把二极管直接并联。
电源给发光二极管供电有三种情况：
低压驱动、高电压驱动、过滤电压驱动。
在不同的电源变换器上也有不同的技术和方案的实现，电源的驱动方法在以下简单的介绍下:
<1）低电圧驱动：
低电压驱动发光二极管LED要把电压增加到能使二极管
LED导通的数值，所说的低电压也就是低于二极管的正向导通电压，对于二极管
这样的低能耗的部件是比较常见的使用方法，如LED低能耗的台灯等。
因为山于一般大的电池，不需要大功率，但是要做到低能耗和高效率的应用，所以最好的方法就是电荷泵式升圧变换器:
灯。
<2）高电圧驱动：
高电压驱动普通的是山蓄电池提供电，这样可能会有比
较大大能耗，所以我们要降低一般的成本，最理想的就是审联开关降压电路。
高电压驱动其实就是给二极管供电的电压数大于二极管管压降，一般常见的是草地灯汽车灯等。
（3）过度电压驱动：
过度电压驱动发光二极管LED的电源，其要解决升压
和降压的问题，我们要考虑实际的悄况，所以必须降低必要的开支，但是也要确保质量，最好的方法就是反极性电荷泵式变换器。
过度电圧驱动其实也就是二极管的电压在管圧降附近变动，它可能随时会变动，有时高，有时低，常见的有矿灯的运用等。
4.2控制芯片选择
方案一：
SB42511芯片图4-1主要针对驱动24V驱动6颗LED市场，价格要高于产品，适合设计1-6颗LED,输入6-25V输入电压，S0P8封装形式，主要针对11前低端LED市场。
FB
GND
LED
SW
COWP
5
VIN
PWM
BS
图4-1SB42511芯片
方案二：
TL494芯片图4-2TL494是一种性能优&的电压驱动型脉调制器
件，可作为单端式、推挽式、全桥式、半桥式开关电源控制器，被广泛应用于开关电源中，是开关电源的核心控制器。
该器件既可调频乂可调脉宽，可调性强,工作区间大，可用它搭建不同的驱动电路，体积小、重量轻，可应用于其他各个领域。
但是有14个引脚，外W电路复杂。
•
I
V„ClC2
*-VI
-VI
El
£3
2
3
Hrr
14
VRET
-V2
〜V2
lyre：
CiMH
1）331I
图4-2TL494芯片
7
IO
s
6
13Is亘7
方案三：
MT7920芯片图4-3MT7920是一颗离线，低功耗LED驱动芯片,
恒流、动态PWM、DCM工作模式，有专利技术的初级端感应恒流控制模式，输入电压85V-265V,输出电流可达1A,高达88%的效率，内置VDD过压，LED开路、
短路保护，内置线电压欠压，过压保护，芯片过温保护。
图4-3MT7920芯片
MT7920是U前流行的电流型PWM信号发生器，具有精度高.电压稳定、外ffl
电路简单、价格低廉等优点。
相比之下此芯片更符合题目的要求，所以采用此方案。
5驱动电路总体设计
5.1电路设计
一般电源山脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
电源原理一般的过程是变成直流的过程，然后转换成筒频交流，直流电压通过反馈调节，开关变压器，整流滤波再次转化成直流的过程，而MOSFET在整个过程中通过不断的开与关，高频高压的直流开关电源当前是交替变换的发展方向是高频率、低功耗、
噪音低、可弟性高、抗干扰和模块化的进程。
电源框图如图5-1所示。
图5-1电源框图
5.1.1输入电路设计
本方案主电路的设讣如图5-2所示加】。
F1为保险线，作用是为电路提供保护
作用：
ZNR为压敏电阻，防止电路产生过压或雷击损坏，RTH为NTC热敬电阻,
防止开机浪涌电流9LbL2,Cl为抗干扰电路，防止开关电源高频干扰进入电
5.L2控制电路设计
本控制电路采用基于PWM芯片MT7920控制，与一般驱动电路相比，具有电
控制电路启动后，MT7920通过R5、R6、C8控制绕组的峰值电流来感应线电
圧，然后辅助绕组来检测绕组端的LED电压。
山于辅助绕组的电压正比于LED电压，并且该电压通过R11和D8送入MT7920,以此来调节PWM信号的频率，这样流过LED的电流就可以精确调制。
LED电流可以很容易地通过设置R5,R6,C8
和R11,D8的组值和感值来调节。
5.1.3保护电路的设计
当MT7920引脚电压升髙超过IV或电压降到IV以下，都可使PWM比较器输出高电平，造成PWM锁存器复位。
根据MT7920关闭的特性，起到过圧和过流的
保护作用，使整个电路中的元件和开关没有多余的浪费，且能保证电路工作时的稳定，从而降低整个设计的成本。
6电路的元器件选取与参数计算
6.1电路参数的相关计算公式
导通的时间：
t』D』T八
输出的频率：
f=1.8/（Cs*Rj；
输出功率：
Po=l/2*（U*ba*f）；
输入电流：
Vs^Lp^Ipa/ton；
原边峰值电流：
Lr=2*Po/（V=*D_）；
原边电感量：
I小
原边的匝数：
Np=V=toy（B,*Ar）；
气隙长度：
1=47r*io'^*x；*Ayip。
注：
D远为最大占空比；B.为变压器磁芯工作磁密度；A"为变压器磁芯有效面积。
&2MT7920芯片的应用及工作原理
MT7920芯片的驱动电路，MT7920低功率，高功率因子（PFC）,面精度离线
式LED驱动芯片。
在85VAC-264VAC的宽电压范圉内，MT7920可以驱动高达30W的LED照片应用。
MT7920包括VDD/STP脚的过压检测，一旦检测到过压悄况发生，芯片即进入打嗝模式以保证安全。
同时MT7920还包括欠压镇定，限流及过热保护等异常W况的保护，提供系统的可黒性。
6.2.1tfr7920的引脚功能及引脚图
根据引脚功能介绍:
①脚是辅助绕组的反馈电压，通过一个电阻分压器连接到辅助绕组来反映输出电压：
②脚是模拟地；③脚是PUT频率调节；④脚是启动脚，MT7920通过该脚启动，然后山该脚动态调整初级电感的峰值电流；⑤脚是开/关电源调光功能使能脚，悬空：
不支持开/关电源调光功能，接地：
支持开/
关电源调光功能；⑥脚是电源地，在PCB板上与模拟地相连；⑦脚是电源脚；⑧
脚是外部功率MOS管栅极驱动。
引脚图如图6-2
•
1
6
2
7
MT7g20
3
4
S
图6-2引脚排列图
DRV
VDO
POND
DIM
□S.ENI
AGND
rwNr~
STP
7制作与调试
7.1LED驱动电路的制作
7.1.1PCB图的制作
在PCB设计过程中，在正式布线要经过许多步骤，下面是整体的PCB设计过程。
（1）系统的规格；
（2）系统功能框图；
（3）PCB的系统分区；
（4）使用封装方法和各PCB的大小：
（5）绘画出所有PCB的电路图；
（6）在PCB上的布局、布线。
准备PCB设计过程分为设计准备、网表输入、规则设置、元器件布局、布线、检查、复查、输出八个步骤。
（1）做好PCB设计准备;
（2）网表的输入:
（3）规则的设置:
（4）组件的布局;
（5）接线;
（6）检查:
（7）复查；
（8）设计输出。
将布好线的PCB图进行完善，如地线的加粗等。
7.L2PCB的制造工艺
（1）先把做好的PCB送厂家加工，以确保质量，以及外观的完整性。
<2）接着进行选材，购买MT7920芯片、保险丝、电容、电阻、二极管、电
感等材料。
（3）最后才材料进行焊接，焊接时要注意:
先预热，U的是防止裂纹，在遇
到难焊时可以局部预热，焊接完后，进行通体的检查以及修改。
（4）实物图如附录1所示。
7.2LED驱动电路的调试
7.2.1输出纹波
输出的纹波主要的决定因素山电容和电感决定的，输出的电容和电感山电圧纹波决定，成反比，同样的是电压的纹波同开关频率成反比，测试电路如图7-1所示:
O
LED驱动电路
图7・1纹波测试电路图
用示波器观察纹波波形图如图7-2所示:
图7-2纹波波形
7.2.2转换效
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